钢混组合结构桥梁2019年度研究进展

2020-11-17肖林卫星温宗意李刚

土木与环境工程学报 2020年5期

关键词：腹板剪力桁架

肖林，卫星，温宗意，李刚

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

1 钢混组合结构整体力学行为研究

1.1 工程应用研究

图1 高速铁路组合结构桥梁[3]Fig.1 High-speed railway composite structure bridges [3]

1.2 弯曲性能研究

图2 CFRP加固钢混组合梁负弯矩区试验[5]Fig.2 Test of the negative moment zone of CFRP-reinforced steel-concrete composite beam [5]

图3 考虑界面滑移的钢混组合梁计算模型[7]Fig.3 The calculation model of steel-concrete composite beam considering interface slip [7]

1.3 空间受力研究

双主梁式钢板组合梁桥因钢主梁间距较大，桥面板正应力横向分布不均，剪力滞效应显著，文献[9]对双主梁钢板组合梁桥翼缘有效宽度、宽跨比、主梁间距等几何参数进行了研究，研究结果表明，有效宽度可基于现行规范进行计算，宽跨比设计时宜小于等于3，而主梁间距计算可参考文献[9]中对应公式。

1.4 动力特性研究

图4 钢混组合梁节段风洞模型[12]Fig.4 Wind tunnel model of steel-concrete composite beam segment [12]

1.5 局部受力研究

图5 钢混组合索塔构造[13]Fig.5 Steel-concrete composite tower structure [13]

图6 钢混结合段构造[14](单位：mm)Fig.6 Steel-concrete composite section structure [14](units:mm)

2 钢混组合结构剪力键

2.1 栓钉剪力键

图7 螺栓剪力键反复加载试验[17]Fig.7 Repeated loading test for bolt shear connectors [17]

图8 栓钉剪力键破坏模式[19]Fig.8 Failure mode of stud connectors [19]

2.2 PBL剪力键

PBL剪力连接键多用于波形钢腹板组合梁桥、混合梁交界面、索塔锚固区域等，其破坏形式较栓钉复杂，影响因素也多，PBL剪力键基本承载性能、滑移状态和疲劳性能仍持续受到关注[21-23]。对PBL剪力键两种试验方法(标准试件与埋入式试件)进行了对比，研究发现，两者存在明显差异，且滑移状态和承载能力极限状态均表现不同，埋入式试件滑移更大，承载力也更大。其次，分析了试件细节(混凝土强度、开孔钢板、贯通钢筋、布置钢筋等)对试件承载力的影响，并提出了相应的拟合公式；另一方面，在常规PBL剪力键基础上提出创新构造[24]，如图9中双PBL连接键、图10中带橡胶环的PBL连接键，带橡胶环的PBL剪力连接键减轻了局部应力集中问题，有利于提高连接键滑移性能，改善了不均匀剪切力分布，充分发挥了混凝土抗压性能。

图9 带环箍的PBL剪力键[23]Fig.9 PBL Shear connector with hoop [23]

图10 带橡胶环的PBL剪力键[24]Fig.10 PBL shear connector with rubber ring [24]

2.3 高性能混凝土剪力键

图11 UHPC中栓钉剪力键[25]Fig.11 Stud connectors in UHPC [25]

图12 ECC中栓钉剪力键[26]Fig.12 Stud connectors in ECC [26]

2.4 装配式剪力键

为适应桥梁快速施工(ABC)要求，解决湿法施工技术带来的较多现场作业的问题，装配式剪力键(Prefabricated Composite Shear Connectors)正受到关注，主要有各种形式螺栓装配，也有螺旋销式，可装配式剪力键促进了桥梁建设施工方法湿法向干法施工的转变，可以减少现场浇筑作业，同时，由于装配式剪力键安装方便及其可拆卸性，在桥梁加固方面，对于旧桥加固以及部分区域损伤加固都有用武之地，装配式剪力键力学性能仍在研究[27-30]，部分研究表明，其可以取得较好抗滑移和组合效应，且疲劳性能高于焊接栓钉，如图13～图15所示。此外，通过预制板+集束式剪力钉布置的施工设计方法也可以加快施工，减少现场作业，但对相关方法的适用性和耐久性仍需进一步研究。

图13 装配式螺栓剪力键[27]Fig.13 Assembled bolt shear connectors [27]

图14 可拆卸的栓钉剪力键(单位：mm)[28]Fig.14 Removable stud connectors(units：mm)[28]

图15 PCSS剪力连接构件[29]Fig.15 PCSS shear connectors

2.5 剪力键耐久性

为适应不同使用环境，保证组合结构桥梁的耐久性，剪力键耐久性能研究成为必然要求。腐蚀环境[31](如图16)、低温环境[32]及冻融环境下[33]剪力键力学性能逐渐得到关注，研究内容主要集中在栓钉剪力连接件的耐久性。模拟栓钉锈蚀的手段一般是通过将推出试件或者梁式试件浸泡在NaCl溶液中，进行通电，电流作用下加快栓钉锈蚀过程；也可将试件放置在实验室内，通过调节湿度与温度，模拟大气腐蚀。前者常表现为较均匀腐蚀；后者表现为不均匀腐蚀，与实际情况更为匹配，但耗时更长。研究表明，栓钉锈蚀后，其疲劳寿命下降更为突出，单调荷载下梁式试件仍表现为局部失效，但疲劳荷载下表现为栓钉剪断，随着腐蚀速率的增加，残余弯曲刚度和滑动刚度随着疲劳循环的进行而降低；冻融与低温环境主要影响的是混凝土强度，它是栓钉连接件抗剪承载力的主要影响因素，控制着栓钉推出试验的破坏形式。在冻融循环下，混凝土内部结合水不断地膨胀融化，加速表面砂浆层脱落，使混凝土出现损伤，混凝土弹性模量和立方体抗压强度以及栓钉连接件性能下降，且试验表明，冻融循环次数对开裂荷载的影响大于极限荷载。

图16 锈蚀栓钉剪力键[31]Fig.16 Corroded shear stud connectors [31]

3 钢UHPC组合结构

3.1 静力承载力

图17 钢UHPC闭口肋轻型组合桥面板[34]Fig.17 Steel-UHPC lightweight composite deck with closed ribs [34]

图18 UHPC华夫板+钢梁组合结构[35]Fig.18 Steel-UHPC composite beams with wallfe slab [35]

3.2 疲劳性能

图19 UHPC板+正交异性钢桥面[36]Fig.19 UHPC -orthotropic steel plate [36]

4 钢管混凝土结构

钢管混凝土结构作为组合结构桥梁重要组成部分，自20世纪90年代初在中国桥梁工程中应用以来，已修建完成超过400座不同类型的钢管混凝土桥梁。由于良好的受力性能，钢管混凝土较多地应用于拱桥，此外，钢管混凝土桁架在梁式桥中也有不少应用。2019年关于钢管混凝土桥梁的研究主要包括钢管混凝土构件基本力学性能研究、钢管混凝土桥梁总体力学行为、钢管混凝土桁架关键节点力学行为、新型钢管混凝土结构力学性能。

4.1 构件基本力学性能

Wang等[38]研究了混凝土非线性徐变对钢管混凝土柱受力的影响(如图20)，钢管混凝土中钢管对内嵌混凝土约束，达到充分发挥混凝土抗压性能的目的，但由于混凝土收缩徐变效应，常常引起内力重分布。研究表明，按线性蠕变考虑会低估蠕变作用效果，经蠕变作用后，试件极限承载力没有发生较大变化，但变形能力较未经过蠕变作用的试件有所降低。基于试验结果，提出了可用于钢管混凝土非线性蠕变预测的模型。总体而言，常用徐变理论为线性徐变理论，对于受压构件来说，其应力水平一般较高，会出现超出线性徐变理论适用范围的情况，学者们对非线性徐变研究较少，且一般以试验研究为主。

图20 钢管混凝土柱徐变应变[38]Fig.20 Creep strain of concrete-filled steel tube columns [38]

Lee等[39]研究了偏心加载作用下CEFT钢管混凝土柱延性和破坏状态(如图21)；Song等[40]研究了钢管局部屈曲行为下钢管混凝土受力状态(如图22)，考虑了钢管几何缺陷和残余应力用以预测屈曲后极限强度，由于混凝土灌注后，混凝土收缩导致了钢管壁和内嵌混凝土表面分离或者其他受力状态导致了分离，这种分离现象降低了钢管约束作用，同时，钢管侧向约束的降低增大了局部屈曲风险，对此类失效模式的研究有助于不利状态下钢管混凝土承载能力的评估。

图21 偏心受压钢管混凝土柱[39]Fig.21 Eccentrically pressed concrete-filled steel tube columns [39]

图22 钢箱混凝土钢板局部屈曲 [40]Fig.22 The steel plate local buckling of steel box concrete [40]

4.2 整体力学性能

钢管混凝土拼接后形成钢管混凝土桁架，可用作钢管混凝土桁架桥上部结构或钢管混凝土格构柱等结构。钢管混凝土桁架杆件较多，各个管节点施工工艺复杂，近年来也颇有应用，如干海子特大桥等。由于复杂的杆件关系，可能存在较多因素制约其性能的发挥，如管节点疲劳，制造缺陷等问题。钢管混凝土格构柱施工便捷、承载能力高、延性好，在桥墩中应用较为合适，因此，十分有必要对其抗震特性进行研究。目前，对钢管混凝土格构柱在地震作用下响应行为的研究还不够充分。

Chen等[41]研究了考虑初始缺陷的钢管混凝土桁架力学行为(如图23)，由于缺陷具有随机性特性，研究了不同初始缺陷影响的可靠度指标，针对随机初始缺陷，提出了可靠性和相关系统阻力因素，研究中着重分析了钢管内填充混凝土后的制造缺陷(混凝土与钢管的间隙)对桁架梁可靠性的影响，未考虑混凝土相关的时变效应，给多变量的可靠性评估提供了框架。袁辉辉等[42]对钢管混凝土格构柱振动特性及抗震性能进行了研究，验证了此类结构具有良好的强度储备和变形能力，多次强震后仍具有一定承载力，适用于高烈度地区桥梁工程。

图23 带缺陷的钢管混凝土桁架[41]Fig.23 CFST trusses with initial imperfections [41]

4.3 管节点

图24 典型钢管混凝土桁架节点(单位：mm)[43]Fig.24 Typical CFST truss joints(units:mm)[43]

图25 钢管混凝土螺栓连接节点[44]Fig.25 The bolted joint of concrete-filled steel tube structures [44]

图26 外接式组合桁架节点(单位：mm)[45]Fig.26 External composite truss joint(units:mm)[45]

4.4 新型结构研发

Mohd Raizamzamani等[46]研究了钢管+泡沫混凝土组合柱对填充有泡沫混凝土的圆形钢管在轴向推力和弯曲作用下的约束作用进行研究，并估计了填充泡沫混凝土钢管柱的最佳轴向和抗弯能力。Dong等[47]对钢管+橡胶混凝土钢管混凝土柱进行了研究，利用橡胶具有资源二次利用和改善混凝土延展性的优点，尽管牺牲了部分强度和刚度，内填橡胶混凝土对有大变形需求的构筑物，如地震活动区结构中的立柱等，提供了良好的解决方案。Xu等[48]对钢管+再生混凝土进行了研究，重点研究了再生混凝土替代率对组合结构复合弹性模量的影响。研究表明，复合弹性模量对结构尺寸的敏感性高于再生混凝土替代率，再生混凝土的利用减少了废混凝土对环境的影响，具有发展前景。在结构组合多样性方面，Liang等[49]研究了双钢管混凝土工作性能。Wang等[50]验证了一种用于替代钢管混凝土的新型波纹钢管混凝土结构，利用外镀锌波纹钢管优异的耐腐蚀性解决钢管混凝土耐久性问题，波纹管具有较高侧向刚度，可与混凝土牢固结合。并测试了短柱轴压性能，如图27所示。组合管结构依照其使用性能的不同，组合结构形式和材料的选用也十分丰富，其研究内容多集中于抗压性能和变形能力，研究中较多地比较了其力学性能，如若推广使用，仍需考虑其经济性和获取材料的便捷性。

图27 新型钢管混凝土组合结构Fig.27 Novel concrete-filled steel tube structures

5 波形钢腹板混凝土组合结构力学行为

波形钢腹板PC组合箱梁以波形钢板代替普通混凝土作为腹板，可有效减轻桥梁自重，提高跨越能力，近些年来得到广泛关注和深入研究。对于波形钢腹板组合结构桥梁力学行为的研究主要集中在波形钢腹板抗剪性能、抗弯性能、空间行为及动力性能4个方面。

5.1 抗剪性能

波形钢腹板组合结构桥梁中，截面剪力由波形钢板承担，波形钢板剪切屈曲行为一直是该类桥梁的主要研究方向之一。2019年，学者们对变截面波形钢腹板、设置加劲肋波形钢腹板(如图28)和曲线波形钢腹板剪切性能进行了研究。

图28 设置加劲肋的波形钢腹板[52]Fig.28 Corrugated steel web with stiffeners[52]

文献[51]在对变截面波形钢腹板箱梁剪应力的研究过程中发现，剪力、弯矩和轴力均会产生剪应力，并且后两者仅仅在变截面时产生剪应力，研究结果表明，变截面波形钢腹板截面顶板剪应力很小，底板剪应力相对顶板较大。在无弯矩或弯矩很小的区域仅由腹板承剪是可以接受的，但当弯矩较大时，顶、底板承剪比例能达到50%以上，因此，应考虑顶、底板的承剪能力。研究中考虑到变截面处顶、底板承剪能力较传统计算理论和规范更加充分、全面，进而可优化波形钢腹板及混凝土顶、底板截面设计。

大跨度波形钢腹板组合梁支撑段剪切稳定性是影响结构安全主要控制因素之一，一般是通过将混凝土浇筑到波形钢腹板内侧以提高其剪切稳定性，但内衬混凝土增大了梁体重量，增加了施工难度。文献[52]通过在支撑段采用竖向或水平加劲肋代替内衬混凝土达到提高钢腹板剪切稳定性，是一种新型增强方法。研究结果表明，波形钢腹板剪切强度可通过垂直和水平加劲肋来提高，竖直加劲肋不会影响波纹钢腹板“手风琴效应”，同时，水平加劲肋会增加波纹钢腹板在局部区域的轴向刚度，并抵抗上下翼缘所传递的弯矩。与内衬混凝土相比，采用垂直和水平加劲肋，可有效降低自重，且保证梁体剪切稳定性。

5.2 空间力学行为

2019年，在波形钢腹板组合结构桥梁的研究中，空间力学行为研究占比较多，集中在剪力滞效应、横向受力行为(如图29)。此外，腹板采用钢管混凝土桁架的特殊波形钢腹板组合梁也被关注(如图30)。

图29 波形钢腹板组合梁横向受力[54]Fig.29 Transverse analysis of composite beams with corrugated steel webs [54]

图30 波形钢腹板+钢管桁+混凝土组合梁[55]Fig.30 Composite box girder bridges with corrugated steel webs and trusses[55]

文献[53]对波形钢腹板组合箱梁剪力滞影响因素进行了研究，结果表明，结构宽跨比是其主要影响因素，波形钢腹板厚度和顶、底板厚度影响较小，其余参数在常规设计范围内可不予考虑，进而研究组合箱梁剪力滞影响因素可重点着眼于结构宽跨比。

波形钢腹板组合箱梁可通过预制拼装方式进行施工，文献[54]在对车辆荷载作用下节段组合箱梁横向力学性能的研究中发现，组合箱梁横向弯曲刚度比具有混凝土腹板结构的横向弯曲刚度弱，同时，相关研究结果表明，组合箱梁发生破坏是顶板混凝土发生弯曲破坏，而不是腹板剪切屈曲破坏。此外，预制分段组合箱形梁具有较高的安全系数和良好的塑性变形能力。研究揭露了另外一种组合箱梁破坏形态，顶板混凝土弯曲破坏，因此，可对其受力破坏机理深入研究。

底板采用钢管混凝土桁架的特殊波形钢腹板组合梁，是一种增强改进组合结构，文献[55]对其剪力滞效应进行了研究，发现钢管内部是否填充混凝土对剪力滞效应影响不大，剪力滞效应与宽跨比有关，宽跨比越大，剪力滞效应越大。因而在计算该种组合梁剪力滞效应时，对内填混凝土可不予考虑。

5.3 动力特性

图31 波形钢腹板疲劳易损部位[56]Fig.31 The fatigue and vulnerable parts of corrugated steel webs [56]

5.4 抗弯性能

波形钢腹板管翼缘组合梁较一般工字型组合结构刚度更高、承载力更大、稳定性更好。文献[58]研究表明，波形钢腹板高度及翼缘钢管管壁厚度对组合梁跨中截面应变影响较大，且组合截面含钢率对其承载力也有较大影响，研究结果表明，钢腹板高度及翼缘管壁厚度变化最大可减少跨中截面应变的59%，含钢率变化最大可提高承载力的78%。

对于波形钢腹板组合梁挠度计算方法一般有5种，即经典梁法、Timoshenko梁法、弹性剪切变形法、有效刚度法、三角级数理论。文献[59]研究结果表明，Timoshenko 梁法适用于跨高比大于10的简支梁(跨中集中力荷载工况)，跨高比大于14.5的简支梁(均布荷载工况)，三角级数理论适用于跨高比大于4.5的悬臂梁(跨中集中力荷载工况和均布荷载工况)，其他理论则需具体问题具体分析。该研究全面分析了波形钢腹板组合梁不同挠度计算方法的优缺点，较为清晰地阐释了不同计算方法的适用范围。